CN105044763A - 一种可翻转的束流发散角移动测量机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可翻转的束流发散角移动测量机构，能够在测量完毕后或测量过程中通过可翻转机构将束发散角测量装置移出束流区域，解决了离子推力器长时间点火情况下的束发散角测量困难、传感器和线缆易发生短路及损伤的缺点。机架为双层结构，上层安装转动装置，下层为具有开口的空腔；曲柄为倒U形结构，曲柄的一臂固定在转动装置上，另一臂固定束流发散角测量装置；试验状态下，束流发散角测量装置的测试面位于试验区域、处于竖直状态；束流发散角测量装置退出试验时，转动装置在步进电机的控制下发生转动，通过曲柄带动束流发散角测量装置向下翻转，曲柄收纳至机架的第二层空腔内，束流发散角测量装置的测试面离开试验区域、处于水平状态。

Description

一种可翻转的束流发散角移动测量机构

技术领域

本发明涉及离子推力器束流测试技术领域，尤其涉及一种可翻转的束流发散角移动测量机构。

背景技术

束发散角测量是在离子推力器点火状态下，通过固定在舱内的束发散角测量装置进行测量。这种方法虽然能满足离子推力器束发散角的测量要求，但因束发散角测量装置长时间处于离子推力器点火产生的束流环境下，会导致测量传感器和测量线缆损坏并发生短路，故单次测量中需要限制离子推力器的点火时间。

而且，目前对束发散角进行测量的所采用的法拉第探针一般都是点分布或线分布，采集数据不够反映束流分布，需要进行多次测量。因此可以考虑采用面布阵的方式，布置法拉第探针。而且，在结构设计时，还需要考虑到减少溅射、走线方便、简化结构、提高可靠性等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可翻转的束流发散角移动测量机构，能够在测量完毕后或测量过程中通过可翻转机构将束发散角测量装置移出束流区域，解决了离子推力器长时间点火情况下的束发散角测量困难、传感器和线缆易发生短路及损伤的缺点。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种可翻转的束流发散角移动测量机构，包括：步进电机、减速机、曲柄、转动装置、束流发散角测量装置和机架；

机架位于真空室内部，为双层结构，上层安装转动装置，下层为具有开口的空腔；曲柄为倒U形结构，曲柄的一臂固定在转动装置上，另一臂固定束流发散角测量装置；

步进电机和减速机位于真空室外部，步进电机连接减速机，减速机通过连杆连接位于真空室内部的转动装置；所述连杆通过真空室壁面上安装的磁流体密封件贯穿真空室；

试验状态下，曲柄处于倒U型状态，束流发散角测量装置的测试面位于试验区域、处于竖直状态；

束流发散角测量装置退出试验时，转动装置在步进电机的控制下发生转动，带动曲柄发生偏转，曲柄连接束流发散角测量装置的一臂向下翻转通过所述开口收纳至机架的第二层空腔内，此时束流发散角测量装置的测试面离开试验区域、处于水平状态。

优选地，所述束流发散角测量装置由法拉第探针和导电金属制成的圆盘型金属支架组成；所述圆盘型金属支架由中心圆盘、外圆环、金属条、底座部分组成；多根金属条连接在中心圆盘和外圆环之间且以中心圆盘圆心为对称中心呈放射状对称布置，外圆环与底座部分相连；法拉第探针安装在中心圆盘和金属条上，且形成一系列同心圆；

安装法拉第探针的一面称为测试面，所述圆盘型金属支架的非测试面开有布线槽，布线槽分径向布线槽和环形布线槽；金属条处的径向布线槽贯穿同在一根金属条上的法拉第探针安装位置，外圆环处的环形布线槽沿外圆环延伸，且连通金属条处的径向布线槽；每个法拉第探针连接一条测试信号线，每组法拉第探针的测试信号线首先沿径向布线槽布线，然后布线至外圆环处的环形布线槽中，最后汇总到一处形成一束电缆引出。

优选地，法拉第探针为裸露型法拉第探针，每个法拉第探针的离子流收集盘的外侧具有一个屏蔽外套，法拉第探针与屏蔽外套之间绝缘，离子流收集盘通过屏蔽外套的开口暴露在外；屏蔽外套与圆盘型金属支架接触，圆盘型金属支架仅通过一根导线连接外部的偏置电压提供端。

优选地，所述法拉第探针包括离子流收集盘、屏蔽外套、离子流收集盘支承件、绝缘陶瓷、螺钉、安装绝缘件和接线端子；

离子流收集盘支承件开有贯通螺孔，离子流收集盘镶嵌在离子流收集盘支承件前端，螺钉安装在离子流收集盘下方的贯通螺孔内，螺钉端头从离子流收集盘支承件未镶嵌离子流收集盘的一端伸出并连接接线端子；

离子流收集盘支承件连接接线端子的一端安装在圆盘型金属支架开设的安装孔内，且离子流收集盘支承件与圆盘型金属支架之间采用安装绝缘件隔离；

离子流收集盘支承件位于圆盘型金属支架外的一段外圆周套有屏蔽外套，且离子流收集盘支承件与屏蔽外套之间采用绝缘陶瓷隔离，屏蔽外套的底面紧贴圆盘型金属支架。

优选地，圆盘型金属支架上每个法拉第探针安装位置处开设安装孔，安装孔内圆周的台阶面记为A1；所述离子流收集盘支承件外圆周具有两个台阶面B1和B2；绝缘陶瓷内圆周上具有台阶面C1，外圆周上具有台阶面C2；屏蔽外套内圆周上具有台阶面D1；安装绝缘件的外圆周上具有台阶面E1；

离子流收集盘支承件穿入绝缘陶瓷的通孔后，通过台阶面B2和台阶面C1配合定位；绝缘陶瓷在屏蔽外套内部，与屏蔽外套通过台阶面C2和台阶面D1配合定位；安装绝缘件与圆盘型金属支架通过台阶面A1和台阶面E1配合定位。

优选地，离子流收集盘支承件连同螺钉一起从圆盘型金属支架上安装孔的小径一端伸入安装孔内；在安装孔内，离子流收集盘支承件伸入安装绝缘件的中心通孔内与安装绝缘件内圆周配合接触，螺钉穿出安装绝缘件的中心通孔后依次穿过平垫圈、第一紧固螺母、接线端子，继而通过第二紧固螺母紧固；平垫圈的外径大于安装绝缘件中心通孔的内径，通过第二紧固螺母的紧固将平垫圈压紧在安装绝缘件的大端面上。

有益效果：

(1)本发明能够在测量完毕后或测量过程中通过可翻转机构将束发散角测量装置移出束流区域，解决了离子推力器长时间点火情况下的束发散角测量困难、传感器和线缆易发生短路及损伤的缺点。进而，采用可翻转机构后，降低了测试传感器和测试线缆的耐温和耐压要求，避免了需要经常检查传感器和线缆的导通绝缘性能，经常打开真空舱更换损坏器件的问题，延长了束发散角测试装置的使用寿命，提升了测试效率。

(2)本发明采用面布阵的方式布置法拉第探针，全部探针测试信号实现同步采集、数据信息量大，通常仅需几分钟即可完成一次完整的测试和数据处理。

(3)每个法拉第探针的离子流收集盘的外侧有一个屏蔽外套，用于屏蔽飞向离子流收集盘侧面的杂散离子，确保只有正面收集离子。

(4)屏蔽外套直接与圆盘型金属支架通过金属接触实现电连接，那么就可以仅使用一根导线向圆盘型金属支架供给偏置电压，这种方式最大的优点是大大减少了探针引线的数量，简化结构、提高可靠性。

(5)圆盘型金属支架由中心圆盘、外圆环，多个金属条、底座部分组成；这种结构形式将束流可轰击部分的支架面积最小化，这样尽可能减少束流离子对支架的溅射以及由此造成的污染；此外，尽量小的支架面积可减少测试装置对离子推力器束流的影响。

(6)本发明设计了特殊结构的法拉第探针，离子流收集盘支承件、屏蔽外套之间用绝缘陶瓷保证绝缘；通过台阶面的设计，实现探针内部各部件的定位安装，定位方式简单，可靠；并且内部为迷宫结构设计，解决因溅射镀膜引起的绝缘下降问题。圆盘型金属支架开有专用的布线槽，测试信号线可以汇集在布线槽内，防止对测试造成影响。

附图说明

图1为本发明一种可翻转的束流发散角移动测量机构的组成原理图；

图2为本发明一种可翻转的束流发散角移动测量机构的翻转示意图；

图3为法拉第探针阵列具体实现示意图；

图4为法拉第探针屏蔽外套安装位置示意图；

图5为优选实施例中法拉第探针结构示意图；

图6为法拉第探针结构内各个定位台阶面的示意图。

其中，1-步进电机，2-减速机，3-磁流体密封件，4-曲柄，5-转动装置，6-束流发散角测量装置，7-机架，8-圆盘型金属支架，9-法拉第探针，10-屏蔽外套，11-真空室，81-中心圆盘，82-金属条，83-外圆环，84-底座部分，85-布线槽，86-接线用螺纹孔，87-固线卡用螺纹孔，88-安装孔，91-离子流收集盘，92-离子流收集盘支承件，93-绝缘陶瓷，94-螺钉，95-安装绝缘件，96-接线端子，97-第一紧固螺母，98-平垫圈，99-第二紧固螺母。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

图1和图2所示，本发明可翻转的束流发散角移动测量机构包括：步进电机1、减速机2、曲柄4、转动装置5、束流发散角测量装置6和机架7。

机架7位于真空室11内部，为双层结构，上层安装转动装置5，下层为具有开口的空腔。曲柄4为倒U形结构，曲柄4的一臂固定在转动装置5上，另一臂固定束流发散角测量装置6。

步进电机1和减速机2位于真空室11外部，步进电机1连接减速机2，减速机通过连杆连接位于真空室11内部的转动装置5。所述连杆通过真空室11壁面上安装的磁流体密封件3贯穿真空室11。

试验状态下，曲柄4处于倒U型状态，束流发散角测量装置6的测试面位于试验区域、处于竖直状态。

束流发散角测量装置6退出试验时，转动装置5在步进电机1的控制下发生转动，带动曲柄4发生偏转，曲柄4连接束流发散角测量装置6的一臂向下翻转通过所述开口收纳至机架7的第二层空腔内，此时束流发散角测量装置6的测试面离开试验区域、处于水平状态。

如图3所示，束流发散角测量装置6由法拉第探针9和导电金属制成的圆盘型金属支架8组成，该圆盘型金属支架8由中心圆盘81、外圆环83、多根金属条83以及底座部分84组成，四者可以加工为一体结构。多根金属条82连接在中心圆盘和外圆环之间、且以中心圆盘圆心为对称中心呈放射状对称布置。外圆环83与底座部分84相连。法拉第探针9安装在中心圆盘81和金属条82，且形成一系列同心圆。这种结构形式将束流可轰击部分的支架面积最小化，这样尽可能减少束流离子对支架的溅射以及由此造成的污染；此外，尽量小的支架面积可减少测试装置对离子推力器束流的影响。

如图3所示，圆盘型金属支架8的P面为法拉第探针安装面，即测试面。每个法拉第探针安装位置有相应的安装孔，其位置精度由加工工艺保证。圆盘型金属支架8的非测试面开有专用的布线槽85，布线槽分径向布线槽和外圈环形布线槽。金属条82处的径向布线槽贯穿同在一条半径上的法拉第探针9安装位置，外圆环83处的环形布线槽沿外圆环延伸，且连通金属条82处的径向布线槽。每个法拉第探针9连接一条测试信号线，每组法拉第探针9的测试信号线首先沿径向布线槽布线，然后布线至外圆环83处的环形布线槽中，最后汇总到一处形成一束电缆引出到外部的测试电路板。本实施例中，圆盘型金属支架8的底座部分84开设固线卡用螺纹孔87，测试信号线汇总到底座部分84后，形成一束电缆，采用固线卡结合固线卡用螺纹孔87进行固定。

如图4所示，法拉第探针阵列使用的法拉第探针9为裸露型法拉第探针，每个法拉第探针的离子流收集盘的外侧有一个屏蔽外套10，离子流收集盘通过屏蔽外套10的开口暴露在外，屏蔽外套用于屏蔽飞向离子流收集盘侧面的杂散离子，确保只有正面收集离子(正面为离子电流收集面)。在测试时，屏蔽外套需供给偏置电压，该偏置电压与离子流收集盘偏置电压相同(通常为-20V)。本发明中，每个法拉第探针的屏蔽外套10直接与圆盘型金属支架8的P面通过金属接触实现电连接，那么就可以仅使用一根导线向圆盘型金属支架8供给偏置电压，该偏置电压通过金属传导传递到所有屏蔽外套10，实现通过一根导线给所有探针的屏蔽外套供给偏置电压，这种方式最大的优点是大大减少了探针引线的数量，简化结构、提高可靠性。需要说明的是，法拉第探针9与圆盘型金属支架8和屏蔽外套10之间都应该是绝缘安装，图4中并没有具体示出。本实施例中，圆盘型金属支架8的底座部分84开设接线用螺纹孔86，提供偏置电压的导线连接该接线用螺纹孔86。

本发明进一步提供了一种适用于本测量机构的法拉第探针。如图5所示，法拉第探针9包括离子流收集盘91、屏蔽外套10、离子流收集盘支承件92、绝缘陶瓷93、螺钉94、安装绝缘件95、接线端子96。

为了保证测量精度，离子流收集盘91采用二次电子发射系数小的钼片。

离子流收集盘支承件92开有贯通螺孔，离子流收集盘91镶嵌在离子流收集盘支承件92前端，螺钉94安装在离子流收集盘91下方的贯通螺孔内，螺钉94端头从离子流收集盘支承件92未镶嵌离子流收集盘的一端伸出，并连接接线端子96。

离子流收集盘支承件92连接接线端子96的一端安装在圆盘型金属支架8开设的安装孔88内，且离子流收集盘支承件92与圆盘型金属支架8之间采用安装绝缘件95隔离，保证二者绝缘。

离子流收集盘支承件92位于圆盘型金属支架8外的一段外圆周套有屏蔽外套10，且离子流收集盘支承件92与屏蔽外套10之间采用绝缘陶瓷93隔离，从而保证二者绝缘。屏蔽外套10的底面紧贴圆盘型金属支架8的P面。

本实施例通过台阶面的设计，实现探针内部各部件的定位安装，定位方式简单，可靠。参见图6，圆盘型金属支架8上每个法拉第探针安装处开设安装孔88，安装孔内圆周的台阶面记为A1。离子流收集盘支承件92外圆周具有两个台阶面B1和B2；绝缘陶瓷93内圆周上具有台阶面C1，外圆周上具有台阶面C2；屏蔽外套10内圆周上具有台阶面D1；安装绝缘件95的外圆周上具有台阶面E1。

离子流收集盘支承件92穿入绝缘陶瓷93的通孔后，通过台阶面B2和台阶面C1配合定位。绝缘陶瓷93在屏蔽外套10内部，与屏蔽外套10通过台阶面C2和台阶面D1配合定位；安装绝缘件95与圆盘型金属支架8通过台阶面A1和台阶面E1配合定位。

进一步地，本实施例通过增加第一紧固螺母97、平垫圈98和第二紧固螺母99实现探针与圆盘型金属支架8的连接，连接方式简单，方便更换。仍参见图5，离子流收集盘支承件92连同螺钉94一起从圆盘型金属支架8上安装孔88的小径一端伸入安装孔内；在安装孔内，离子流收集盘支承件92伸入安装绝缘件95的中心通孔内与安装绝缘件95内圆周配合接触，同时，螺钉94穿出安装绝缘件95的中心通孔后依次穿过平垫圈98、第一紧固螺母97、接线端子96后，继而通过第二紧固螺母99紧固。平垫圈98的外径大于安装绝缘件95中心通孔的内径，通过第二紧固螺母99的紧固将平垫圈98压紧在安装绝缘件95的大端面上。

为了保证安装正确，绝缘陶瓷93与安装绝缘件95不接触。如果两件相互接触，或因承担主要的装配压紧力而相互挤压，则会造成屏蔽外套10与圆盘型金属支架8接触不良，甚至不接触。在结构上，可以设计绝缘陶瓷93的长度短于屏蔽外套10，通过台阶面的设计，使得绝缘陶瓷93两端均不伸出屏蔽外套10之外，安装绝缘件95不伸出圆盘型金属支架之外，那么由于屏蔽外套10与圆盘型金属支架P面是面贴合的，因此可以保证绝缘陶瓷93与安装绝缘件95不接触。

为了解决因溅射镀膜引起的绝缘下降问题，本实施例探针内部采用迷宫结构设计。如图5所示，离子流收集盘支承件92嵌有离子流收集盘91的一端面的外圆周在径向上与屏蔽外套10之间具有间隙；离子流收集盘支承件92的台阶面B1轴向上不与绝缘陶瓷93端面接触，且离子流收集盘支承件92两个台阶面之间部分的外圆周径向上不与绝缘陶瓷93接触，从而形成迷宫结构。

为了保证测试精度，螺钉头部及螺母的金属不能暴露于设备内部等离子环境中，否则暴露的金属部分会接收离子引起测量误差。因此，在完成法拉第探针安装及信号线连接后，采用真空硅橡胶灌封，确保螺钉94、接线端子96、紧固螺母97,99、平垫圈98被硅橡胶包裹，与设备舱内等离子体隔离。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可翻转的束流发散角移动测量机构，其特征在于，包括：步进电机(1)、减速机(2)、曲柄(4)、转动装置(5)、束流发散角测量装置(6)和机架(7)；

机架(7)位于真空室(11)内部，为双层结构，上层安装转动装置(5)，下层为具有开口的空腔；曲柄(4)为倒U形结构，曲柄(4)的一臂固定在转动装置(5)上，另一臂固定束流发散角测量装置(6)；

步进电机(1)和减速机(2)位于真空室(11)外部，步进电机(1)连接减速机(2)，减速机通过连杆连接位于真空室(11)内部的转动装置(5)；所述连杆通过真空室(11)壁面上安装的磁流体密封件(3)贯穿真空室(11)；

试验状态下，曲柄(4)处于倒U型状态，束流发散角测量装置(6)的测试面位于试验区域、处于竖直状态；

束流发散角测量装置(6)退出试验时，转动装置(5)在步进电机(1)的控制下发生转动，带动曲柄(4)发生偏转，曲柄(4)连接束流发散角测量装置(6)的一臂向下翻转通过所述开口收纳至机架(7)的第二层空腔内，此时束流发散角测量装置(6)的测试面离开试验区域、处于水平状态。

2.如权利要求1所述的束流发散角移动测量机构，其特征在于，所述束流发散角测量装置(6)由法拉第探针(9)和导电金属制成的圆盘型金属支架(8)组成；所述圆盘型金属支架(8)由中心圆盘(81)、外圆环(83)、金属条(82)、底座部分(84)组成；多根金属条(82)连接在中心圆盘和外圆环之间且以中心圆盘圆心为对称中心呈放射状对称布置，外圆环(83)与底座部分(84)相连；法拉第探针(9)安装在中心圆盘(81)和金属条(82)上，且形成一系列同心圆；

安装法拉第探针的一面称为测试面，所述圆盘型金属支架(8)的非测试面开有布线槽(85)，布线槽分径向布线槽和环形布线槽；金属条(82)处的径向布线槽贯穿同在一根金属条上的法拉第探针安装位置，外圆环(83)处的环形布线槽沿外圆环延伸，且连通金属条(82)处的径向布线槽；每个法拉第探针连接一条测试信号线，每组法拉第探针的测试信号线首先沿径向布线槽布线，然后布线至外圆环(83)处的环形布线槽中，最后汇总到一处形成一束电缆引出。

3.如权利要求2所述的束流发散角移动测量机构，其特征在于，法拉第探针(9)为裸露型法拉第探针，每个法拉第探针(9)的离子流收集盘的外侧具有一个屏蔽外套(10)，法拉第探针(9)与屏蔽外套(10)之间绝缘，离子流收集盘通过屏蔽外套(10)的开口暴露在外；屏蔽外套(10)与圆盘型金属支架(8)接触，圆盘型金属支架(8)仅通过一根导线连接外部的偏置电压提供端。

4.如权利要求3所述的束流发散角移动测量机构，其特征在于，所述法拉第探针(9)包括离子流收集盘(91)、屏蔽外套(10)、离子流收集盘支承件(92)、绝缘陶瓷(93)、螺钉(94)、安装绝缘件(95)和接线端子(96)；

离子流收集盘支承件(92)开有贯通螺孔，离子流收集盘(91)镶嵌在离子流收集盘支承件(92)前端，螺钉(94)安装在离子流收集盘(91)下方的贯通螺孔内，螺钉(94)端头从离子流收集盘支承件(92)未镶嵌离子流收集盘的一端伸出并连接接线端子(96)；

离子流收集盘支承件(92)连接接线端子(96)的一端安装在圆盘型金属支架(8)开设的安装孔(88)内，且离子流收集盘支承件(92)与圆盘型金属支架(8)之间采用安装绝缘件(95)隔离；

离子流收集盘支承件(92)位于圆盘型金属支架(8)外的一段外圆周套有屏蔽外套(10)，且离子流收集盘支承件(92)与屏蔽外套(10)之间采用绝缘陶瓷(93)隔离，屏蔽外套(10)的底面紧贴圆盘型金属支架(8)。

5.如权利要求4所述的束流发散角移动测量机构，其特征在于，圆盘型金属支架(8)上每个法拉第探针安装位置处开设安装孔(88)，安装孔(88)内圆周的台阶面记为A1；所述离子流收集盘支承件(92)外圆周具有两个台阶面B1和B2；绝缘陶瓷(93)内圆周上具有台阶面C1，外圆周上具有台阶面C2；屏蔽外套(10)内圆周上具有台阶面D1；安装绝缘件(95)的外圆周上具有台阶面E1；

离子流收集盘支承件(92)穿入绝缘陶瓷(93)的通孔后，通过台阶面B2和台阶面C1配合定位；绝缘陶瓷(93)在屏蔽外套(10)内部，与屏蔽外套(10)通过台阶面C2和台阶面D1配合定位；安装绝缘件(95)与圆盘型金属支架(8)通过台阶面A1和台阶面E1配合定位。

6.如权利要求5所述的束流发散角移动测量机构，其特征在于，离子流收集盘支承件(92)连同螺钉(94)一起从圆盘型金属支架(8)上安装孔(88)的小径一端伸入安装孔内；在安装孔内，离子流收集盘支承件(92)伸入安装绝缘件(95)的中心通孔内与安装绝缘件(95)内圆周配合接触，螺钉(94)穿出安装绝缘件(95)的中心通孔后依次穿过平垫圈(98)、第一紧固螺母(97)、接线端子(96)，继而通过第二紧固螺母(99)紧固；平垫圈(98)的外径大于安装绝缘件(95)中心通孔的内径，通过第二紧固螺母(99)的紧固将平垫圈(98)压紧在安装绝缘件(95)的大端面上。